This work presents an architectural solution of CMOS interrogator with large dynamic range and noise immunity, which is aimed at UHF mobile RFID readers. Generally, in RFID systems based on backscattering communications, its RX and TX simultaneously operate, and it results in serious performance degradation in RX due to the self-jammer signal from the TX. Conventional RFID readers adopt off-chip solutions to attenuate the leakage signal; however, they cannot prevent the TX leakage signal reflected from antenna. It severely increases the system burden in dynamic range requirement in RX, and causes baseband DC offset and PN-induced noise problem. It is also inappropriate for the mobile RFID applications due to the low system integrity. Besides, direct conversion transmitters with linear power amplifiers have disadvantages in low system efficiency. To achieve low-power and low-cost RF front-end for mobile RFID readers, we must cope with these various design challenges in RX and TX.
As an approach for an isolator-less mobile RFID front-end, a simple and effective architecture of self-correlated RX is proposed. It generates self-LO signal using clamped RX input signal, and therefore the cause of PN-induced noise can be fundamentally eliminated. Besides, at the first stage of RX, a highly-linear passive mixer is located for obtaining large dynamic range. Through these two methodologies, an optimum RX is designed, which resolves the problems in dynamic range and PN-induced noise of RX. To the best of author’s knowledge, it is the firstly suggested solution to minimize two main problems in RX simultaneously.
For low-power and highly-linear ASK modulator, polar architecture based on switching power amplifier with envelope feedback linearization technique is adopted. To provide robust performance against PVT variations and parameter mismatches, we propose a new passive-type RF envelope detector. Compared to conventional envelope detectors using trans-conductance characteristics, it has advantages in precise signal detection owing to the switching operation of transistors. Along with the high gain differential-difference integrator, an ideal type-I feedback loop is achieved, and therefore, we can acquire output RF envelope identical to the reference baseband signal.
To verify its performances, a prototype RF front-end for UHF mobile RFID reader is fabricated with a standard CMOS technology. It contains self-correlated RX, RF envelope detector, differential-difference integrator, and polar TX, and its total area excluding the bonding pads is $1.28mm^2$.
The self-correlated RX exhibits SNR performance more than 20dB when TX signal up to 20dBm is applied. Especially for the TX power range from 2dBm to 10dBm, the SNR performance is enhanced by almost 10dB, which corresponds to the sensitivity level about -75dBm. The RF envelope detector has linear dynamic range of 27dB over the wide frequency range. Under voltage and temperature variations, its conversion gain is maintained within ±0.5dB error. At 1GHz RF frequency band, the detection bandwidth for dynamic envelope signal is measured to be maximally 0.5MHz. The polar TX delivers maximum CW output power of 23dBm while obtaining drain efficiency of 33%. With the feedback loop closed, its linear range reaches up to 27dB, and the ACPR requirement is satisfied with margin more than 10dB. The total current consumption for the implemented RX and TX is 10mA and 198mA from a 3.3V supply, respectively.
본 학위 논문은 매우 넓은 동적 영역을 갖고 잡음에 강인한 저전력 CMOS interrogator를 위한 시스템의 구조를 제안하고, UHF 대역의 모바일 RFID reader front-end를 구현하는 데에 적용하여 제안된 구조의 실효성을 검증하고자 하였다.
모바일 RFID reader용 RF front-end를 제작하는 데에는 다음과 같은 도전적인 과제들이 존재한다. 먼저, 수신기에 존재하는 도전적인 과제는 다음과 같다. 대표적인 back-scattering communication application인 RFID reader는 송신기와 수신기가 동시에 동작하는 것을 피할 수 없다. 이로 인해 송신기의 큰 누설 신호가 수신기에 유입되어 수신기의 성능에 다양한 문제를 유발할 수 있다. 기존의 시스템에서는 칩 외부에 차단 소자를 활용하여, 수신기에 유입되는 누설 신호의 크기를 감쇄시키고자 하였다. 이로 인해 차단 소자를 직접 통과하는 경로의 누설 신호는 크게 개선되었으나, 송신기에서 안테나로 전달된 후에 반사되어 수신기에 유입되는 누설 신호는 해결하지 못한 한계가 있었다. 그 결과, 수신기에는 리더가 수신하고자 하는 태그 신호와 누설 신호를 모두 수용할 수 있도록 매우 넓은 동적 영역을 확보해야 하는 설계 사양이 요구된다. 또한 유입된 누설 신호는 수신기의 주파수 하향 변환 과정을 거친 후에 수신기의 기저 대역 신호에 DC 오프셋과 PN-induced 잡음을 유발하여 이상적인 태그 신호의 수신 과정에 방해가 되는 문제가 있다. 송신기에 존재하는 도전적인 과제는 다음과 같다. 기존의 RFID reader용 송신기는 출력 전압의 크기가 변조된 ASK 신호를 생성하기 위하여 일반적으로 선형 전력 증폭기를 이용한 직접 변환 송신기의 구조를 채택해 왔다. 하지만 송신기에 요구되는 ACPR 등의 높은 선형성 요구 조건을 만족하기 위해서는 선형 전력 증폭기에 출력 파워를 최대 출력 파워에 비해 백-오프 시키게 되는데, 이로 인해 전력 증폭기의 효율이 낮은 영역에서 동작시키게 되고, 결과적으로 전체 송신기의 전력 소모가 크게 증가한다. 모바일 RFID는 기존의 RFID 시스템에 비하여 휴대의 목적이 강화된 것이기 때문에 낮은 전력 소모, 저 비용, 적은 외부 소자의 특징을 갖는 RF front-end를 구현하는 것이 필요하므로 위와 같은 기존의 시스템 구현 방식은 적합하지 않다. 본 학위 논문에서는 다음과 같은 접근 방법을 통하여 모바일 RFID reader용 송수신기 전반에 존재하는 도전적인 과제들을 해결하고자 하였다.
외부 소자를 활용하지 않고 송신기의 누설 신호로 인한 동적 영역 문제와 기저 대역의 잡음 유발 문제를 해결하기 위해, 자가 상관관계 수신기가 적용된 송수신기 구조가 새롭게 제안되었다. 이는 차단 소자 없이 송신기, 안테나와 수신기가 직접 연결되는 구조로써, 송신 신호와 태그 신호의 합이 수신기에 직접 입력되고, 입력된 신호가 클램핑된 신호를 수신기의 LO 신호로 활용한다. 이로 인하여 기존의 송수신기 구조에서 PN-induced 잡음 문제를 발생시키는 원인인 송신 누설 신호와 수신기의 LO 신호 사이의 위상 잡음 특성의 차이가 근본적으로 제거된다. 또한 증폭기 없이 고선형의 수동 주파수 혼합기를 수신기의 최앞단에 위치하도록 함으로써 넓은 동적 영역을 확보하고자 하였다. 위의 두 가지 방법을 통해 RFID 시스템에 존재하는 동적 영역과 기저 대역 잡음 사양 문제를 동시해 해결하고, 집적도가 높은 최적의 수신기를 구성하였다. 또한 송신기에는 고효율의 스위칭 전력 증폭기에 기반한 폴라 송신기 구조를 적용함으로써 전력 소모가 낮은 송신기를 구현하고자 하였다. 이 때, 송신기의 최종 출력 신호가 전송하고자 하는 ASK 기준 신호인 아날로그 기저 대역 신호와 동일한 엔벨로프를 갖도록 제어하기 위하여 엔벨로프 피드백 선형화 기법을 도입하였다. 이 때, 피드백 경로에 사용되는 엔벨로프 검출기는 전체 시스템의 선형성을 좌우하는 블록이기 때문에 다음과 같은 사양이 요구된다. 먼저 입력 신호와 출력 신호 사이에 선형 관계가 성립해야 하고, 그 선형 동적 영역이 다중 레벨의 ASK 신호를 지원할 수 있기에 충분할 만큼 넓어야 하며, 고주파 동작이 가능한 것이라야 한다. 기존의 엔벨로프 검출기는 트랜지스터의 트랜스-컨덕턴스에 기반한 능동적인 동작을 수행하였으나, 제안된 엔벨로프 검출기는 트랜지스터의 스위칭 동작을 바탕으로 하는 수동적인 동작을 수행하는 것에 차이가 있다. 이와 같은 수동적인 동작 유형의 엔벨로프 검출기는 관련 분야에서 최초로 제안된 방식으로써, 매우 높은 주파수 영역에서도 동작이 가능하고, 입출력의 선형 동작이 보장되며, 공정, 전원 전압, 온도의 조건이 변하더라도 그 성능이 일정하게 유지되는 장점이 있다.
제안된 송수신기 구조의 성능을 검증하기 위해 CMOS 0.13μm 공정을 이용하여 ISO 18000-6 type C 표준을 지원할 수 있는 RF reader front-end를 제작하였다. 전체 칩의 면적은 1.28mm2으로써, 3.3V의 전원 전압에서 동작하도록 설계하였다. (0~20)dBm의 송신 신호가 출력되는 조건에서 수신기는 전반적으로 20dB 이상의 SNR을 나타냈다. 또한 타 구간에 비하여 성능이 우수한 (2~10)dBm의 송신 신호 구간에서는 -75dBm 이상의 수신 감도를 얻었다. 송신기의 최대 출력 파워는 23dBm으로, 33%의 전류 효율을 갖는다. 또한 피드백 루프를 연결하였을 때, 기저 대역의 입력 신호와 출력 신호의 크기가 선형적인 관계를 유지하는 구간은 최대 27dB에 이르는 것으로 확인하였다. 실제 위상 잡음 특성을 갖는 LO 신호를 이용하여 ACPR 성능을 측정한 결과, 모든 채널에서 10dB 이상의 여유를 갖고 표준에서 요구하는 사양을 만족하였다. 이와 같은 측정 결과를 통해 본 학위 논문에서 제안된 매우 넓은 동적 영역을 갖고 잡음에 강인한 저전력 CMOS interrogator를 위한 송수신기 시스템의 구조가 매우 우수한 성능을 갖고 있으며, 산업 전반에 큰 파급 효과를 지닐 만큼의 가치를 지니고 있다는 것이 검증되었다.
